轉(zhuǎn)速測(cè)量顯示邏輯電路的設(shè)計(jì)

數(shù)字電路課程設(shè)計(jì)姓名:學(xué)號(hào):專業(yè)班級(jí):指導(dǎo)老師:時(shí)間:數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書班級(jí)：姓名：指導(dǎo)教師：2012年03月06日設(shè)計(jì)題目：轉(zhuǎn)速測(cè)量顯示邏輯電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求測(cè)速顯示范圍：0～9999轉(zhuǎn)/分。2．單位時(shí)間選為一分鐘，且有數(shù)字顯示。3.轉(zhuǎn)速顯示是前一分鐘轉(zhuǎn)速測(cè)量的結(jié)果。設(shè)計(jì)成果設(shè)計(jì)說明書一份電路圖一份參考資料教研室主任簽字：年月日目錄概述………….....................…4第1章總體方案設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì).......................................................................................5軟件電路設(shè)計(jì).......................................................................................5第2章硬件單元電路設(shè)計(jì).2.1傳感器的選型………...................…...…..52.2單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)………..........................……......72.3顯示電路設(shè)計(jì)..........................................................................9第3章軟件設(shè)計(jì)3.1主程序初始化……………….............…...........................123.2主程序流程圖程序流程圖……..................................13參考文獻(xiàn)................................................................................................14附錄...................................................................................................15概述智能化轉(zhuǎn)速測(cè)量可以對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，電機(jī)在運(yùn)行的過程中，需要對(duì)其平穩(wěn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，適時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量有效地可以反映電機(jī)的狀況。本系統(tǒng)主要由傳感器，單片機(jī)AT89C51構(gòu)成?？梢詫?duì)大范圍轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的轉(zhuǎn)速精度高，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。單片機(jī)的英文名稱是MicroControllerunit,縮寫為MCU，又稱為微控制器，它是一種面向控制的大規(guī)模集成電路芯片。它具有功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、應(yīng)用簡(jiǎn)單靈活，因而使用非常廣泛，有力地推動(dòng)各行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和更新?lián)Q代。第一章總體設(shè)計(jì)方案1.1硬件電路設(shè)計(jì)思路硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。89C51單片機(jī)通過INT0輸入傳感器的脈沖信號(hào)，P0口P2口接LED動(dòng)態(tài)顯示。轉(zhuǎn)速測(cè)量部分的硬件設(shè)計(jì)思路：本次設(shè)計(jì)單片機(jī)部分的硬件框圖如圖2－1所示。光電傳感器整形電路CPU執(zhí)行單元（單片機(jī)）光電傳感器整形電路CPU執(zhí)行單元（單片機(jī)）時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路顯示電路顯示電路圖1單片機(jī)部分硬件框圖1.2軟件設(shè)計(jì)思路軟件需要解決的是定時(shí)器1的記數(shù)和定時(shí)器0的計(jì)時(shí)設(shè)定、由于測(cè)量的轉(zhuǎn)速范圍大，所以低速和高速都要考慮在內(nèi)，關(guān)鍵在于一個(gè)四字節(jié)除三字節(jié)程序的實(shí)現(xiàn)。顯示部分、需要有一個(gè)二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)化程序，以及轉(zhuǎn)換成非壓縮BCD的程序后、才能進(jìn)行調(diào)用查表程序送到顯示。軟件工作流程：傳感器利用磁電效應(yīng)產(chǎn)生一周期脈沖向單片機(jī)的定時(shí)器1（P3.1）口發(fā)送一個(gè)脈沖信號(hào)，定時(shí)器0工作在內(nèi)部定時(shí)，TH0、TL0設(shè)定初值為50um，作為除數(shù)的低兩字節(jié)，利用軟件記數(shù)器、定時(shí)器0作為時(shí)間信號(hào)。定時(shí)完畢讀取內(nèi)部記數(shù)值，再對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行一系列變換后調(diào)用查表顯示程序，顯示在數(shù)碼管上。第二章硬件單元電路的設(shè)計(jì)2.1傳感器的選型2.1.1霍爾元件的應(yīng)用使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場(chǎng)的分布狀態(tài)，并可對(duì)狹縫，小孔中的磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)用磁場(chǎng)作為被傳感物體的運(yùn)動(dòng)和位置信息載體時(shí)，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場(chǎng)。例如，用一個(gè)5×4×2.5（mm3）的釹鐵硼Ⅱ號(hào)磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約2300高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨距離增加而迅速下降。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊(cè)中會(huì)給出。因?yàn)榛魻柶骷枰ぷ麟娫?，在作運(yùn)動(dòng)或位置傳感時(shí)，一般令磁體隨被檢測(cè)物體運(yùn)動(dòng)，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測(cè)工作磁場(chǎng)，再從檢測(cè)結(jié)果中提取被檢信息。2.1.2UGN3144霍爾開關(guān)元件1．UGN3144霍爾開關(guān)元件的工作原理UGN3144霍爾開關(guān)元件屬于開關(guān)型霍爾傳感器（集成霍爾開關(guān)），它是把霍爾片產(chǎn)生的霍爾電壓VH放大后驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路，輸出電壓是能反映B的變化的方脈沖。集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器、霍爾電勢(shì)發(fā)生器（即硅霍爾片）、差分放大器、施密特觸發(fā)器和OC門輸出五個(gè)基本部分組成。在輸入端（1、2之間）輸入電壓Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩電流端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處于磁場(chǎng)中時(shí)，霍爾發(fā)生器的兩電壓端將會(huì)有一個(gè)霍爾電勢(shì)差VH輸出。VH經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出圖2開關(guān)型霍爾傳感器的原理當(dāng)外磁場(chǎng)B達(dá)到“工作點(diǎn)”Bop時(shí)，觸發(fā)器輸出高電平（相對(duì)于地電位），三極管導(dǎo)通，此時(shí)，OC門輸出端輸出低電平，通常稱這種狀態(tài)為“開”；當(dāng)外磁場(chǎng)B達(dá)到“釋放點(diǎn)”Brp時(shí)，觸發(fā)器輸出低電平，三極管截止，OC門輸出高電平，這時(shí)稱其為“關(guān)”狀態(tài)。Bop與Brp是有一定差值的，此差值BH=Bop-Brp稱為霍爾開關(guān)的磁滯。B的變化不超過BH，霍爾開關(guān)不翻轉(zhuǎn)，這就使得開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠。集成霍爾開關(guān)傳感器的輸出特性如圖(3-6)。圖3開關(guān)型霍爾傳感器的輸出特性UGN3144主要技術(shù)性能與特點(diǎn)AllegroMicroSystems公司生產(chǎn)的UGN3144器件是雙極性磁場(chǎng)即N,S交變場(chǎng)磁啟動(dòng)的霍爾開關(guān)電路，它的主要性能特點(diǎn)如下：（1）電源電壓為4.5—24V；（2）連續(xù)輸出電流為25MA;（3）磁通密度不受限制，輸出關(guān)斷電壓為25V；（4）具有反向電壓保護(hù)（反向電壓為35V）和極好的溫度穩(wěn)定性；3．UGN3144霍爾開關(guān)元件的引腳功能和封裝形式UGN3144采用SOT89或者TO-243封裝。其中，引腳端1為電源正端，引腳端2為接地，引腳端3為輸出（OC形式）。圖4UGN3144的封裝結(jié)構(gòu)2.2單片機(jī)電路2.2.1復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，它是史密特觸發(fā)輸入(對(duì)于CHMOS單片機(jī)，RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻)，當(dāng)振蕩器起振后該引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變?yōu)榈碗娖胶?，退出?fù)位，CPU從初始狀態(tài)開始工作。本設(shè)計(jì)中采用電容進(jìn)行復(fù)位，其電路圖如下：圖5復(fù)位電路2.2.2時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的典型值為12MHZ。MCS-51內(nèi)部都有一個(gè)反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸入和輸出端，外接定時(shí)反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。電路中的電容C1和C2典型值通常選擇為30pf左右。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器的頻率的高低，振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的振蕩頻率的范圍通常是在1.2MHZ-12MHZ之間。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但反過來運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)印制電路板的工藝要求也高，即要求線簡(jiǎn)的寄生電容要小；晶振和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作。綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用30pf的電容，因?yàn)榫д竦念l率無法精確達(dá)到12MHZ，所以一般情況采用11.0592MHZ（本例中采用12MHZ）,其電路圖如下所示：圖6AT89C51的時(shí)鐘電路2.3顯示電路的設(shè)計(jì)顯示電路采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，LED（Light-EmittingDiode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時(shí)必須加限流電阻。LED有單個(gè)LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。顯示器結(jié)構(gòu)：常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖4－4所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。1位顯示器由八個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)發(fā)光二極管a~g控制七個(gè)筆畫（段）的亮或暗，另一個(gè)控制一個(gè)小數(shù)點(diǎn)的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡(jiǎn)單，使用方便。此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進(jìn)行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來，如圖4-5所示，為七段數(shù)碼管的管腳圖。圖7七段發(fā)光顯示器的結(jié)構(gòu)圖8七段發(fā)光顯示器管腳的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式：采用的數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)為74ls245，，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，圖4-6為74ls245的圖以及各個(gè)引腳的分布功能介紹。圖9管腳的結(jié)構(gòu)顯示方式：為了節(jié)省I/O口線，我們采用的動(dòng)態(tài)顯示方式。所謂動(dòng)態(tài)顯示，就一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器（掃描），對(duì)于每一位顯示器來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。若顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極電位只需8位口（稱為掃描口），控制各位顯示器所顯示的字形也需一個(gè)8位口（稱為段數(shù)據(jù)口）。本次設(shè)計(jì)要求的轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍60r/min-36000r/min，所以只需要5位數(shù)碼管即可。5位共陰極顯示器和AT89C51的接口邏輯如圖4-7所示。AT89C51的P0口作為段數(shù)據(jù)口，接上拉電阻到顯示器的各個(gè)段；P2口作為掃描口，經(jīng)同相驅(qū)動(dòng)器7407接顯示器公共極。對(duì)于圖4-7中的5位顯示器，在AT89C51RAM存貯器中設(shè)置五個(gè)顯示緩沖器單元30H－35H，分別存放5位顯示器的顯示數(shù)據(jù)，AT89C51的P2口掃描輸出總是只在一位為低電平，即5位顯示器中僅有一位公共陰極為低電平，其它位為高電平，AT89C51的P0口相應(yīng)位（陰極為低）的顯示數(shù)據(jù)的段數(shù)據(jù)，使該位顯示出一個(gè)字符，其它們?yōu)榘担来蔚馗淖働2口輸出為高的位，P0口輸出對(duì)應(yīng)的段數(shù)據(jù)，5位顯示器就顯示出由緩沖器中顯示數(shù)據(jù)所確定的字符。三系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1主程序初始化（1）.定時(shí)器的初始化AT89C51有兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均可設(shè)置成為16位，也可以設(shè)置成為13位進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器的功能是對(duì)T0或T1外來脈沖的進(jìn)行計(jì)數(shù)，外部輸入脈沖負(fù)跳變時(shí)，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加1。工作方式和設(shè)置不同的初值時(shí)，產(chǎn)生溢出中斷的定時(shí)值和計(jì)數(shù)值將不同，從而可以適應(yīng)不同的定時(shí)或計(jì)數(shù)控制。定時(shí)器有4種工作方式：方式0、方式2、方式2和方式3，在此對(duì)工作方式不做具體介紹。工作方式寄存器TMOD的設(shè)定：GATEC/TM1MOGATEC/TM1M0TMOD各位的含義如下：◆GATE：門控位，用于控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)是否受外部中斷請(qǐng)求信號(hào)的影響?！鬋/T：定時(shí)或計(jì)數(shù)方式選擇位，當(dāng)C/T=1時(shí)工作于計(jì)數(shù)方式；當(dāng)C/T=0時(shí)工作于定時(shí)方式。M1、M0為工作方式選擇位，用于對(duì)T0的四種工作方式，T1的三種工作方式進(jìn)行選擇，選擇情況如下表：M1M0=00為方式0;M1M0=01為方式1；表3-1M1、M0為工作方式選擇位M0M1工作方式方式說明00110101012313位定時(shí)、計(jì)數(shù)器16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器8位自動(dòng)重置定時(shí)、計(jì)數(shù)器兩個(gè)8位定時(shí)。計(jì)數(shù)器（只有T0有）13位定時(shí)/計(jì)數(shù)器16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器8位自動(dòng)重置定時(shí)/計(jì)數(shù)器兩個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（只有T0有）（2）中斷允許控制MCS-51單片機(jī)中沒有專門的開中斷和關(guān)中斷指令，對(duì)各個(gè)中斷源的允許和屏蔽是由內(nèi)部的中斷允許寄存器IE的_______各位來控制的。中斷允許寄存器IE的字節(jié)地址為A8H，可以進(jìn)行位尋址.表3-2中斷位尋址表IED7D6D5D4D3D2D1(A